Treibhauseffekt und Klimawandel
Fakten und Märchen? Reinhard Storz
18.09.2023
Treibhauseffekt und Klimawandel
Das Klima auf der Erde hängt von zahlreichen Fakten ab, wie beispielsweise:
● Einstrahlung der Sonne
● Zusammensetzung der Atmosphäre
● Position der Kontinente und Meere
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Die Einstrahlung der Sonne schwankt nicht nur im 11jährigen Rhythmus.
Da spielen beispielsweise auch die veränderliche Ovalität der Sonnenbahn und die schwankende Schrägstellung der Erdachse eine Rolle.
Das sind die Milankovich- Zyklen.
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Es ist erlaubt, die Datei unter den Bedingungen der GNU-Lizenz für freie Dokumentation, Version 1.2 oder einer späteren Version, veröffentlicht von der Free Software Foundation, zu kopieren, zu verbreiten und/oder zu modifizieren; es gibt keine unveränderlichen Abschnitte, keinen vorderen und keinen hinteren Umschlagtext. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Milankovitch_Variations.png?uselang=de
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Die Position der Kontinente und Meere auf der Erde hat einen wesentlichen Einfluss auf das Klima.
Sie beeinflusst sowohl die Meeresströmungen, die noch mehr als die Winde die Wärme verteilen, als auch die örtliche Entstehung von Wüsten- und Eisflächen.
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Auch die Zusammensetzung der Atmosphäre hat sich in erdgeschichtlicher Zeit verändert.
Nicht nur, dass es in den ersten 80% der Erdgeschichte praktisch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre gab, während später sogar mal 35% der Atmosphäre Sauerstoff waren.
Gegenwärtig macht der sich verändernde Gehalt an CO2 , N2O , CH4 und O3 den Menschen Sorgen, weil sich auch dadurch das Klima verändert.
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Eine wichtige Frage ist, wie stark haben diese Spurengase das Klima schon verändert und wie wird das weitergehen?
Da ist von klimatischen Kippunkten die Rede, nach deren Eintreten es keinen Weg zurück mehr gebe.
Was ist an derartigen Aussagen wissenschaftlich begründet und was ist pure Panikmache?
Schauen wir mal was dabei einen Einfluss hat.
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Das kommende Bild zeigt die vielfältigen Mechanismen und Einflüsse, die bei der Wechselwirkung zwischen von der Sonne eintreffender Energie, sowie abgegebener Energie in den Weltraum, eine Rolle spielen.
Dann ein Schema der Strahlungsfrequenzen.
Und schließlich ein Schema vom Ausschnitt aus dem Frequenzband, Ultraviolett bis Infrarot, der beim Klimawandel wirksam ist.
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Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO2 and Climate: A Tutorial
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Hier die unterschiedlichen Frequenzen der Strahlung auf der Erde.
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Quelle: Vorlesung Grundlagen der Meteorologie
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Nach diesem groben Überblick als Einleitung nun zum eigentlichen Thema:
Da hat man als Laie zunächst mal eine Anzahl Fragen.
Wie verändert die Physik, genauer gesagt, die Veränderung des Energietransports durch die Atmosphäre, das Klima?
Was ist dabei im Einzelnen auf welche Weise wirksam?
Wie wird sich diese Wirkung in Zukunft verändern?
Auf welche Weise sind die wissenschaftlichen Erkenntnisse auf diesem Gebiet überprüft und abgesichert?
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Beginnen wir mit der ersten Frage:
Wie verändert die Physik, genauer gesagt, die Veränderung des Energietransports durch die Atmosphäre, das Klima?
In der folgenden Graphik sehen wir links schematisch den Energietransport von der Erde in den Weltraum.
Die Höhe des weißen Berges ist ein Maß für die Energie und von Links nach Rechts ist die Frequenz aufgetragen, bei der die jeweilige Energiemenge durch Strahlung abgegeben wird.
In der rechten Graphik erkennen wir, dass die Fläche kleiner ist.
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Ein unregelmäßiger Teil der Fläche ist am oberen Rand verschwunden.
Das ist auf den Einfluss der klimawirksamen Gase zurückzuführen, die bei diesen Frequenzen die Wärmeabgabe in den Weltraum behindern.
Wie das im Einzelnen abläuft werden wir uns nun im Detail ansehen.
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Wärmeabstrahlung der Erde ohne eine Atmosphäre
Wärmeabstrahlung der Erde mit unserer Atmosphäre
Quelle: Howard (Cork) Hayden, Basic climate physics
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Wie hat man nun diese Unterschiede festgestellt?
Da wurden 2 unterschiedliche Techniken genutzt:
1)Einmal sozusagen indirekt die Messung mit Radiometern, also Strahlungsmeßgeräten, von Satelliten aus, die die gesamte Atmosphäre vermessen können,
2)Von in der Atmosphäre aufsteigenden Ballons, die mit Radiometern ausgerüstet waren und so direkt in ihrer Umgebung messen konnten.
Physikalisch nachvollzogen wurden diese Messungen, indem vom HITRAN Datensatz mehr als 1/3 million rovibrational Linien
ausgewertet wurden, um die Wirkung auf die einzelnen Moleküle zu ermitteln.
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Die weiße Fläche im linken Bild heizt die Erde auf, sie ist die Differenz zwischen der einkommenden Energiemenge in der Mitte und der abgestrahlten Menge im rechten Bild.
Quelle: Howard (Cork) Hayden, Basic climate physics
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Wie sich unterschiedliche Konzentrationen an CO2 auswirken zeigt das folgende Bild.
Dargestellt sind der Einfluss von 0 ppmv CO2 in grüner Linienfarbe, 400 ppmv CO2 in schwarzer Linienfarbe, (etwa der heutige Gehalt der Atmosphäre) sowie 800 ppmv CO2 in roter Linienfarbe, was einer Verdopplung der heutigen CO2 –
Menge entspricht.
Deutlich zu erkennen ist, dass sich die Linien in schwarzer- und in roter Farbe nur minimal unterscheiden.
Erkenntnis:
Eine weitere Erhöhung des Gehalts der Atmosphäre an CO2 hat, wie es auch das anschließende, detailliertere Bild zeigt, nur einen marginalen Effekt.
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Quelle: Howard (Cork) Hayden, Basic climate physics
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Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO2 and Climate: A Tutorial
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Den selben Sättigungseffektffekt, allerdings in wesentlich geringerem Ausmaß, erkennen wir beim Methan, CH4, was auf dem folgenden Bild zu sehen ist.
Und dieser Sättigungseffekt ist in gleicher Weise bei N2O und O3 zu beobachten.
Quelle: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases
arXiv:2006.03098v1 [physics.ao-ph] 4 Jun 2020 W. A. van Wijngaarden and W. Happer
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Quelle: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases
arXiv:2006.03098v1 [physics.ao-ph] 4 Jun 2020 W. A. van Wijngaarden and W. Happer
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Wie gut oder schlecht die gezeigten Modellrechnungen mit der Wirklichkeit übereinstimmen, zeigt das folgende Bild.
Dort werden die Modellberechnungen (linke Bilder) den Meßergebnissen (rechte Bilder) gegenübergestellt.
Lediglich bei der Antarktis gibt es anscheinend Differenzen.
Verursacht wird das durch die klimawirksamen Gase in der höheren
Atmosphäre, die mehr Energie in den Weltraum abgeben als im Winter von der kalten Eisoberfläche am Boden nachgeliefert werden kann.
Quelle: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases
arXiv:2006.03098v1 [physics.ao-ph] 4 Jun 2020 W. A. van Wijngaarden and W. Happer
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Quelle: Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases
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arXiv:2006.03098v1 [physics.ao-ph] 4 Jun 2020 W.
A. van Wijngaarden and W. Happer
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Die bisherigen Ergebnisse kann man in folgender Graphik deutlich erkennen.
Mit zunehmender Konzentration nimmt die zusätzliche Wirkung der Gase, die Wärmemenge, die je zusätzlichem ppmv an CO2 zurückgehalten wird, deutlich ab.
Und ähnlich ist es bei N2O , CH4 und O3 .
Das Ergebnis sehen wir auf dem folgenden Bild:
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Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO2 and Climate: A Tutorial
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Wie sieht nun das bisherige Ergebnis aus?
Links oben sehen wir den Idealzustand ohne Atmosphäre, in dem wir nicht leben könnten.
Darunter 150Wm2, die durch die Klimawirksamen Gase in der Atmosphäre blockiert werden, und unten die 244 Wm2 die schließlich abgestrahlt werden.
Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO 2 and Climate: A Tutorial
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Die Sonne liefert 1368 W/m2, die am oberen Rande unserer Atmosphäre ankommen.
Die Erdoberfläche erreichen davon nur
244 W/m2, die, um die Temperatur auf unserer Erde konstant zu halten, auch wieder abgestrahlt werden müssen.
Von den 394 W/m2, die gegenwärtig von der Erdoberfläche abgestrahlt werden, kommen bei 400 ppmv CO2 nur 244 W/m2, im Weltall an.
Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO2 and Climate: A Tutorial
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Um bei einer Verdopplung des Gehalts der Atmosphäre ein Strahlungsgleichgewicht zu erreichen, muss die Temperatur der Erdoberfläche so ansteigen, dass 3,5 W/m2 zusätzlich abgeführt werden. Das wären 0,65°C.
Quelle: Howard (Cork) Hayden, CO2 and Climate: A Tutorial
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Bei dem zuletzt genannten Wert von 0,65°C Temperaturerhöhung dürfte es sich um einen konservativen Wert handeln. Statt der zuvor genannten 3.5 W/m2 die in anderen Publikationen genannt werden, bzw. 3,7 W/m2, die IPCC verwendete, in AR6 sogar 3,95 W/m2
nennt, kommen Happer und Wijngaarden nur auf 2,5 – 3 W/m2, wodurch die Temperaturerhöhung aufgrund von CO2- Verdopplung bei weniger als einem halben Grad liegen dürfte. Also einem Drittel der Temperaturerhöhung seit 150 Jahren.
Welche Anteile am natürlichen Klimaeffekt die verschiedenen Gase in der Atmosphäre haben, zeigt die folgende Abbildung.
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Als ich eine Frage bezüglich der Wirkung von zusätzlichem Wasserdampf hatte, antwortete Prof. Happer wie folgt:
Dear Reinhard,
I presume you are talking about the paper "Dependence of Earth's Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases."
https://arxiv.org/pdf/2006.03098
The five gases, in order of importance are H2O, CO2, O3, CH4 and N2O. We always list H2O as the most important greenhouse gas and we give lots of quantitative numbers for its effects.
Will William Happer <happer@princeton.edu>;
Seriöse Wissenschaftler geben also immer den Einfluss vom Wasserdampf mit an und „vergessen“
diesen nicht um die Wirkung vom CO2 stärker aussehen zu lassen.
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Welchen Einfluss die zahlreichen Gase in der Atmosphäre am Klimawandel haben zeigt die folgende Tabelle vom IPCC.
Der größte Beitrag kommt hier vom CO2, da man Wasserdampf nicht erwähnt.
Die weiteren Beiträge gehen hinunter bis auf 0,001 W/m2
Am unteren Ende die geringen Restbeiträge der als Sicherheitskältemittel
bezeichneten halogenierten Kohlenwasserstoffe, die seit dem MontrealAbkommen nicht mehr verwendet werden und sich in der Atmosphäre langsam abbauen.
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Quelle: IPCC AR6, WG1, Seite 948
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Wie gering der Einfluss vom CO2 schon zu Beginn der Industrialisierung war, und wie sich die zusätzliche Wirksamkeit in den vergangenen Jahrzehnten abgeschwächt hat, zeigt das folgende Bild.
Daran anschließend sehen wir die Einflüsse auf das Klima bei klarem
Himmel, im Vergleich zu einer späteren Darstellung der Einflüsse bei bedecktem Himmel.
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CO2-Gehalt der Atmosphäre bei Beginn der Industrialisierung
Quelle: Heinz Hug; Anthropogener Treibhauseffekt
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Quelle: IPCC AR6, WG1, Seite 934
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Während die physikalischen Vorgänge bei einer Erde ohne Atmosphäre und ohne Wasser ganz einfach zu berechnen sind, ist das bei der vorhandenen Atmospäre mit den klimawirksamen Anteilen der Gase komplizierter und bei dem, was wir in der folgenden Abbildung sehen, noch einmal wesentlich schwieriger.
Ursächlich dafür sind die Wolken.
Je nachdem, welche Struktur die Wolken haben, können sie kühlend oder erwärmend wirken.
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Quelle: IPCC AR6, WG1, Seite 934
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Quelle: Heinz Hug; Anthropogener Treibhauseffekt
Wie wir in dieser Graphik
leicht erkennen laufen
Wolkenbedeckung und Temperatur nicht annähernd parallel.
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Ohne den Treibhauseffekt hätten wir auf der Erdoberfläche eine mittlere Temperatur von -19 Grad Celsius.
(Quelle: IPCC_sar_wg_1_full_report.pdf; Seite 57)
Der sogenannte natürliche Treibhauseffekt steigerte die Temperatur um 33 Grad auf eine mittlere Temperatur von +14 Grad Celsius.
Durch den sogenannten Klimawandel wurden inzwischen schon +15°C erreicht.
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Andere Quellen nennen als Temperatur ohne Atmosphäre -18°C.
Erwärmung durch die klimawirksamen Gase um 33°C auf +15°C
Da ist dann 1°C als Klimaerwärmung nicht erkennbar.
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Für eine Verdopplung des CO2- Gehaltes der Atmosphäre gibt IPCC auf der IPCC AR6, WG1, Seite 945 einen Wert von 3.93 W/m2 an.
(Assessed effective radiative forcing (ERF), stratospheric-temperature-adjusted radiative forcing (SARF) and tropospheric adjustments to 2×CO2 change since pre-industrial times).
Das ist bei Weitem weniger, als für die von IPCC postulierte Temperatursteigerung erforderlich wäre.
Quelle: IPCC AR6, WG1, Seite 934
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Diese nicht stimmigen Verhältnisse wurden von Prof. Hayden in der folgenden Graphik dargestellt.
Für die postulierte Temperaturerhöhung wären andere Zahlen nötig, als in den wissenschaftlichen Berichten angegeben.
Mit dem von IPCC angegebenen Wert von 3,93 W/M2 erreicht man die, angeblich bei Verdopplung des CO2- Gehaltes der Atmosphäre auftretende Temperatursteigerung bei Weitem nicht.
Dazu folgt eine Graphik sowie eine Tabelle von Prof. Hayden.
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Albedo
Quelle: Howard (Cork) Hayden, Climate Physics 1 thru 10.pdf
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Einen weiteren erheblichen Unterschied zwischen Verlautbarung vom Weltklimarat IPCC und den Beobachtungen zeigt die folgende Graphik von Prof. Wijngaarden.
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Quelle: Impact of Changing Greenhouse Gas Concentrations on Ontario’s Climate
W. A. van Wijngaarden
August 28, 2023
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Zum Abschluss noch etwas Klimageschichte.
Wie sich Eiszeiten und Zwischeneiszeiten in den vergangenen Hunderttausenden von Jahren abgelöst haben, ohne das die Menschen Kohle, Erdöl oder Erdgas verfeuerten, zeigt das kommende Bild.
Das daran anschließende Bild zeigt den Gehalt an CO2 in der Atmosphäre in dieser fernen Zeit, d.h um die 500 Millionen Jahre in die Vergangenheit geblickt, woraus problemlos zu erkennen ist, das hier kein gegenseitiger Einfluss zwischen CO2 und Temperatur gegeben war.
Im Detail unterscheidet sich der CO2- Gehalt in den beiden Graphiken etwas, aber der generelle Trend ist eindeutig.
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Happer / Lindzen; Comment and Declaration on the SEC’s Proposed Rule “The Enhancement and Standardization of Climate-Related Disclosures for Investors,” File No. S7-10-22, 87 Fed. Reg. 21334 (April 11,2022)
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Happer / Lindzen; Comment and Declaration on the SEC’s Proposed Rule “The Enhancement and Standardization of Climate-Related Disclosures for Investors,” File No. S7-10-22, 87 Fed. Reg. 21334 (April 11,2022)
Treibhauseffekt und Klimawandel
Treibhauseffekt und Klimawandel
Da wir mit der Eiszeit schon in der Vergangenheit sind, möchte ich an dieser Stelle noch ein Beispiel für abschmelzende Gletscher zeigen, die ja häufig als Zeugnisse für den menschengemachten Klimawandel herhalten müssen.
Wie das folgende Bild eindrucksvoll zeigt, begann der schnelle Rückzug der Gletscher schon, als die Menschheit nur wenige Bruchteile der heutigen CO2- Menge emittierte.
Zu einem Kipppunkt ist es seit dem Ende der letzten Eiszeit nicht gekommen, obwohl es schon wärmer war als gegenwärtig.
Auch in der Eem Zwischeneiszeit vor etwa 120.000 Jahren, als es 2 bis 3 Grad wärmer war als jetzt, ist das Klima nicht gekippt, bevor die letzte Eiszeit begann.
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Quelle: Impact of Changing Greenhouse Gas Concentrations on Ontario’s Climate
W. A. van Wijngaarden
August 28, 2023
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Und zum Abschluss meines Vortrags ein Bild über den Nutzen von CO2.
Es zeigt, wie ein höherer Gehalt an CO2 in der Atmosphäre das Pflanzenwachstum bei kalabrischen Kiefern beschleunigt.
Es sind die Ergebnisse eines Experiments mit höheren CO2- Gehalten in der Luft, das beim US- Water Conservation Laboratory in Phoenix, Arizona, im Jahre 1979 durchgeführt wurde.
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Treibhauseffekt und Klimawandel
Quelle: Impact of Changing Greenhouse Gas Concentrations on Ontario’s Climate
W. A. van Wijngaarden, August 28, 2023
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Ein sinkender Gehalt an CO2 bremst dagegen das Pflanzenwachstum, sie verkümmern.
Bei weniger als 150ppmv stellen die letzten derjenigen Pflanzen, die uns als Nahrungsmittel dienen, die Photosynthese ein und sterben.
Damit verhungern auch wir Menschen.
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ENDE
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